Induktives Vorwärmen vor dem Schweißen zum Spannungsabbau

Induktives Vorwärmen vor dem Schweißen zum Spannungsabbau Heizgerät

Warum Induktionsvorwärmung vor dem Schweißen?Das induktive Vorwärmen kann die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen verlangsamen. Es ist von Vorteil, um den diffundierten Wasserstoff im Schweißgut zu entweichen und wasserstoffinduzierte Risse zu vermeiden. Gleichzeitig wird die Schweißnaht und die Härtung der Wärmeeinflusszone reduziert und die Rissfestigkeit der Schweißverbindung verbessert.
Das induktive Vorwärmen kann die Schweißspannung reduzieren. Der Temperaturunterschied (auch Temperaturgradient genannt) zwischen den Schweißern im Schweißbereich kann durch gleichmäßiges lokales oder gesamtes induktives Vorwärmen reduziert werden. Auf diese Weise wird zum einen die Schweißspannung reduziert, zum anderen wird die Schweißdehnungsrate verringert, was zur Vermeidung von Schweißrissen beiträgt.

Durch die Induktionsvorwärmung kann der Grad der Einschränkung der geschweißten Strukturen verringert werden, insbesondere wird die Einschränkung der Winkelverbindung verringert. Mit der Erhöhung der Induktionsvorwärmtemperatur sinkt die Rissinzidenz.
Induktionsvorwärmtemperatur und Zwischenlagentemperatur (Hinweis: Beim Mehrlagen- und Mehrlagenschweißen wird die niedrigste Temperatur der vorderen Schweißnaht als Zwischenlagentemperatur bezeichnet, wenn die Nachschweißung geschweißt wird. Bei Werkstoffen, die induktiv vorgewärmt geschweißt werden müssen, sollte die Zwischenlagentemperatur gleich oder etwas höher als die Induktionsvorwärmtemperatur sein, wenn eine Mehrlagenschweißung erforderlich ist. Ist die Zwischenlagentemperatur niedriger als die Induktionsvorwärmtemperatur, sollte sie erneut induktiv vorgewärmt werden.
Darüber hinaus hat die Gleichmäßigkeit der Induktionsvorwärmtemperatur in Richtung der Blechdicke und im Schweißbereich einen wichtigen Einfluss auf die Verringerung der Schweißspannung. Die Breite der lokalen Induktionsvorwärmung sollte entsprechend den Anforderungen des Schweißers festgelegt werden, im Allgemeinen das Dreifache der Wanddicke um die Schweißzone herum und nicht weniger als 150-200 mm. Wenn die Induktionsvorwärmung nicht gleichmäßig ist, wird nicht nur die Schweißspannung nicht reduziert, sondern die Schweißspannung wird erhöht.

Wie findet man die geeignete Lösung für das Vorwärmen durch Induktion?

Bei der Wahl des geeigneten Induktionsvorwärmgeräts sind vor allem folgende Aspekte zu beachten:

Die Form und Größe des erwärmten Werkstücks: Große Werkstück, bar Material, feste Material, sollte ausgewählt werden, relative Leistung, Niederfrequenz-Induktion Heizung Ausrüstung; Wenn das Werkstück ist klein, Rohr, Platte, Getriebe, etc.
Die Tiefe und die zu erwärmende Fläche: Tiefe Erwärmungstiefe, große Fläche, Gesamterwärmung, sollte große Leistung, Niederfrequenz-Induktionserwärmung Ausrüstung wählen; Shallow Erwärmungstiefe, kleine Fläche, lokale Erwärmung, Auswahl der relativ kleinen Leistung, Hochfrequenz-Induktion Vorwärmung Ausrüstung.
Die erforderliche Erwärmungsgeschwindigkeit: Wenn die Erwärmungsgeschwindigkeit schnell ist, sollte die Induktionserwärmungsanlage mit relativ großer Leistung und relativ hoher Frequenz gewählt werden.
Dauerbetriebszeit der Ausrüstung: Kontinuierliche Arbeitszeit ist lang, relativ wählen etwas größere Leistung Induktion Vorwärmen Ausrüstung.
Abstand zwischen dem Induktionsheizkopf und der Induktionsmaschine: Lange Verbindung, auch die Verwendung eines wassergekühlten Kabel-Verbindung, sollte eine relativ große Leistung Induktion Vorwärmung Maschine sein.

Induktionserwärmung: Wie funktioniert sie?

Induktionsheizsysteme verwenden eine berührungslose Heizung. Sie erzeugen die Wärme elektromagnetisch, anstatt wie bei der Widerstandserwärmung ein Heizelement zu verwenden, das mit einem Teil in Kontakt ist, um die Wärme zu leiten. Die Induktionserwärmung funktioniert eher wie ein Mikrowellenherd - das Gerät bleibt kühl, während die Speisen von innen gegart werden.

In einem industriellen Beispiel von InduktionserwärmungDie Wärme wird in dem Teil erzeugt, indem es in ein Hochfrequenz-Magnetfeld gebracht wird. Das Magnetfeld erzeugt Wirbelströme im Inneren des Teils, wodurch die Moleküle des Teils angeregt und Wärme erzeugt wird. Da die Erwärmung knapp unter der Metalloberfläche stattfindet, wird keine Wärme verschwendet.

Die Ähnlichkeit der Induktionserwärmung mit der Widerstandserwärmung besteht darin, dass für die Erwärmung des Abschnitts oder Teils Wärmeleitung erforderlich ist. Der einzige Unterschied besteht in der Wärmequelle und den Temperaturen des Werkzeugs. Bei der Induktionserwärmung wird das Innere des Teils erwärmt, während bei der Widerstandserwärmung die Oberfläche des Teils erwärmt wird. Die Tiefe der Erwärmung hängt von der Frequenz ab. Hochfrequenz (z. B. 50 kHz) erwärmt nahe an der Oberfläche, während Niederfrequenz (z. B. 60 Hz) tiefer in das Teil eindringt und die Wärmequelle bis zu 3 mm tief platziert, was die Erwärmung dickerer Teile ermöglicht. Die Induktionsspule erwärmt sich nicht, weil der Leiter für die Stromstärke groß ist. Mit anderen Worten: Die Spule muss sich nicht aufheizen, um das Werkstück zu erwärmen.

Komponenten des induktiven Erwärmungssystems

Induktionserwärmungssysteme können je nach den Anforderungen der Anwendung luft- oder flüssigkeitsgekühlt sein. Eine Schlüsselkomponente, die beide Systeme gemeinsam haben, ist die Induktionsspule, die zur Wärmeerzeugung im Teil verwendet wird.

Luftgekühltes System. Ein typisches luftgekühltes System besteht aus einer Stromquelle, einer Induktionsmatte und den dazugehörigen Kabeln. Die Induktionsdecke besteht aus einer Induktionsspule, die von einer Isolierung umgeben und in einen austauschbaren Hochtemperatur-Kevlarschlauch eingenäht ist.

Diese Art von Induktionssystem kann mit einem Regler ausgestattet sein, der die Temperatur überwacht und automatisch regelt. Ein System ohne Regler erfordert die Verwendung einer Temperaturanzeige. Das System kann auch einen ferngesteuerten Ein-Aus-Schalter enthalten. Luftgekühlte Systeme können für Anwendungen bis zu einer Temperatur von 400 Grad F verwendet werden, wobei es sich um ein reines Vorwärmsystem handelt.

Flüssigkeitsgekühltes System. Da Flüssigkeit effizienter kühlt als Luft, eignet sich diese Art von Induktionserwärmungssystem für Anwendungen, die höhere Temperaturen erfordern, wie z. B. Hochtemperaturvorwärmung und Spannungsentlastung. Der Hauptunterschied zu einem luftgekühlten System besteht in der Hinzufügung eines Wasserkühlers und der Verwendung eines flexiblen, flüssigkeitsgekühlten Schlauchs, in dem die Induktionsspule untergebracht ist. Flüssigkeitsgekühlte Systeme verfügen in der Regel auch über einen Temperaturregler und einen eingebauten Temperaturschreiber, die besonders bei Anwendungen zum Spannungsabbau wichtig sind.

Das typische Verfahren zum Spannungsabbau erfordert einen Schritt auf 600 bis 800 Grad F, gefolgt von einer Rampe oder einem kontrollierten Temperaturanstieg auf eine Eintauchtemperatur von etwa 1.250 Grad. Nach einer Haltezeit wird das Teil kontrolliert auf eine Temperatur zwischen 600 und 800 Grad abgekühlt. Der Temperaturschreiber sammelt Daten über das tatsächliche Temperaturprofil des Teils auf der Grundlage eines Thermoelement-Eingangs, eine Qualitätssicherungsanforderung für spannungsentlastende Anwendungen. Die Art der Arbeit und die geltenden Vorschriften bestimmen das tatsächliche Verfahren.

Die Vorteile der Induktionserwärmung

Die Induktionserwärmung bietet zahlreiche Vorteile, darunter eine gute Gleichmäßigkeit und Qualität der Wärme, kürzere Zykluszeiten und langlebige Verbrauchsmaterialien. Die Induktionserwärmung ist außerdem sicher, zuverlässig, einfach zu bedienen, energieeffizient und vielseitig.

Gleichmäßigkeit und Qualität. Die Induktionserwärmung ist nicht besonders empfindlich gegenüber der Platzierung oder dem Abstand der Spulen. Im Allgemeinen sollten die Spulen in gleichmäßigen Abständen und mittig auf der Schweißnaht platziert werden. Bei entsprechend ausgerüsteten Systemen kann ein Temperaturregler den Leistungsbedarf auf analoge Weise ermitteln und gerade so viel Leistung bereitstellen, dass das Temperaturprofil eingehalten wird. Die Stromquelle liefert während des gesamten Prozesses Strom.

Zykluszeit. Die Induktionsmethode zum Vorwärmen und Spannungsabbau ermöglicht eine relativ kurze Aufheizzeit. Bei dickeren Anwendungen, wie z. B. Hochdruckdampfleitungen, kann die Induktionserwärmung die Zykluszeit um zwei Stunden verkürzen. Es ist möglich, die Zykluszeit von der Kontrolltemperatur auf die Eintauchtemperatur zu reduzieren.

Verbrauchsmaterial. Die bei der Induktionserwärmung verwendete Isolierung lässt sich leicht an den Werkstücken anbringen und kann viele Male wiederverwendet werden. Darüber hinaus sind Induktionsspulen robust und benötigen keine zerbrechlichen Drähte oder Keramikmaterialien. Da die Induktionsspulen und Steckverbinder nicht bei hohen Temperaturen arbeiten, sind sie auch nicht anfällig für Beschädigungen.

Benutzerfreundlichkeit. Ein großer Vorteil des induktiven Vorwärmens und Spannungsabbaus ist seine Einfachheit. Isolierung und Kabel sind einfach zu installieren und dauern in der Regel weniger als 15 Minuten. In einigen Fällen kann der Umgang mit der Induktionsanlage an einem Tag erlernt werden.

Leistungseffizienz. Die Inverter-Stromquelle hat einen Wirkungsgrad von 92 Prozent - ein entscheidender Vorteil in einer Zeit, in der die Energiekosten in die Höhe schnellen. Außerdem ist der Induktionserwärmungsprozess zu mehr als 80 Prozent effizient. Was die Leistungsaufnahme betrifft, so benötigt das Induktionsverfahren nur eine 40-Ampere-Leitung für 25 kW Leistung.

Sicherheit. Das Vorwärmen und Entspannen durch das Induktionsverfahren ist arbeitnehmerfreundlich. Bei der Induktionserwärmung werden keine heißen Heizelemente und Anschlüsse benötigt. Die Isoliermatten sind mit sehr wenig Feinstaub belastet, und die Isolierung selbst wird nicht Temperaturen von mehr als 1.800 Grad ausgesetzt, die dazu führen können, dass die Isolierung in Staub zerfällt, den die Arbeiter einatmen können.

Verlässlichkeit. Einer der wichtigsten Faktoren, der die Produktivität beim Spannungsarmglühen beeinflusst, ist ein ununterbrochener Zyklus. In den meisten Fällen bedeutet eine Unterbrechung des Zyklus, dass die Wärmebehandlung wiederholt werden muss, was bei einem Wärmezyklus, der einen Tag dauern kann, von großer Bedeutung ist. Die Komponenten des induktiven Erwärmungssystems machen Zyklusunterbrechungen unwahrscheinlich. Die Verkabelung für die Induktion ist einfach, was die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls verringert. Außerdem werden keine Schütze verwendet, um die Wärmezufuhr zum Teil zu steuern.

Vielseitigkeit. Neben der Verwendung von Induktionserwärmungsanlagen Nachdem die Induktionserwärmung zum Vorwärmen und Spannungsabbau von Rohren eingesetzt wurde, haben die Anwender das Verfahren für Schweißnähte, Rohrbögen, Ventile und andere Teile angepasst. Einer der Aspekte der Induktionserwärmung, der sie für komplexe Formen attraktiv macht, ist die Möglichkeit, die Spulen während des Erwärmungsprozesses so einzustellen, dass sie an einzigartige Teile und Wärmesenken angepasst werden können. Der Bediener kann den Prozess starten, die Auswirkungen des Erwärmungsprozesses in Echtzeit feststellen und die Position der Spule ändern, um das Ergebnis zu verändern. Die Induktionskabel können bewegt werden, ohne dass am Ende des Zyklus eine Luftkühlung abgewartet werden muss.

Induktionserwärmung vor Schweißanwendungen

Diese Technologie hat sich bei einer Reihe von Projekten bewährt, unter anderem bei Öl- und Gaspipelines, im Schwermaschinenbau sowie bei der Wartung und Reparatur von Bergbaumaschinen.

Öl-Pipeline. Ein nordamerikanischer Ölpipeline-Wartungsbetrieb musste die Rohre erhitzen, bevor er Reparaturmuffen oder -fittings an den 48-Zoll-Gurt der Pipeline schweißen konnte. Die Arbeiter konnten zwar viele Reparaturen durchführen, ohne den Ölfluss zu unterbrechen oder das Öl aus dem Rohr abzulassen, aber das Vorhandensein des Rohöls selbst behinderte die Effizienz der Schweißarbeiten, da das fließende Öl die Wärme absorbierte. Mit Propangasbrennern musste das Schweißen ständig unterbrochen werden, um die Wärme aufrechtzuerhalten, und mit Widerstandsheizungen, die zwar kontinuierlich Wärme lieferten, konnten die erforderlichen Schweißtemperaturen oft nicht erreicht werden.

Die Arbeiter setzten zwei 25-kW-Systeme mit parallelen Heizdecken ein, um bei Reparaturen von Rundmuffen eine Vorwärmtemperatur von 125 Grad zu erreichen. Dadurch konnten sie die Zykluszeit von acht bis 12 Stunden auf vier Stunden pro Rundnaht reduzieren.

Das Vorwärmen für die Reparatur eines STOPPLE-Fittings (ein T-Stück mit Ventil) war aufgrund der größeren Wandstärke des Fittings eine noch größere Herausforderung. Bei der Induktionserwärmung setzte das Unternehmen jedoch vier 25-kW-Systeme mit einer parallelen Heizdeckenanordnung ein. Ein System wurde in der Hauptleitung zum Vorwärmen des Öls eingesetzt, das zweite zum Vorwärmen des T an der Rundschweißnaht. Die Vorwärmtemperatur betrug 125 Grad. Dadurch konnte die Schweißzeit von 12 bis 18 Stunden auf sieben Stunden pro Rundnaht reduziert werden.

Erdgaspipeline. Bei einem Bauprojekt für eine Erdgaspipeline wurde eine Pipeline mit einem Durchmesser von 36 Zoll und einer Dicke von 0,633 Zoll von Alberta, Kanada, nach Chicago gebaut. Auf einem Abschnitt dieser Pipeline setzte das Schweißunternehmen zwei 25-kW-Stromquellen ein, die auf einem Traktor montiert waren, wobei die Induktionsdecken aus Gründen der Schnelligkeit und Bequemlichkeit an Auslegern befestigt waren. Die Stromquellen heizten beide Seiten der Rohrverbindung vor. Entscheidend für diesen Prozess waren Geschwindigkeit und zuverlässige Temperaturkontrolle. Da der Legierungsgehalt der Werkstoffe zunimmt, um Gewicht und Schweißzeit zu reduzieren und die Lebensdauer der Teile zu erhöhen, wird die Kontrolle der Vorwärmtemperaturen immer wichtiger. Bei dieser induktiven Erwärmungsanwendung wurden weniger als drei Minuten benötigt, um die Vorwärmtemperatur von 250 Grad zu erreichen.

Schwere Ausrüstung. Ein Schwermaschinenhersteller schweißte häufig Adapterzähne an die Kanten seiner Laderschaufeln. Die geheftete Baugruppe wurde immer wieder zu einem großen Ofen transportiert, so dass der Schweißer warten musste, während das Teil wiederholt aufgewärmt wurde. Der Hersteller entschied sich, die Baugruppe durch Induktionserwärmung vorzuwärmen, um ein Verrutschen des Produkts zu verhindern.

Das Material war 4 Zoll dick und erforderte aufgrund des Legierungsanteils eine hohe Vorwärmtemperatur. Um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen, wurden maßgeschneiderte Induktionsmatten entwickelt. Die Isolierung und die Spulenkonstruktion boten den zusätzlichen Vorteil, dass der Bediener von der Strahlungswärme des Teils abgeschirmt wurde. Insgesamt wurden die Arbeitsabläufe erheblich effizienter, da die Schweißzeit verkürzt und die Temperatur während des gesamten Schweißvorgangs gehalten werden konnte.

Ausrüstung für den Bergbau. In einem Bergwerk kam es bei der Reparatur von Bergbaumaschinen zu Problemen mit Kaltrissen und ineffizientem Vorwärmen mit Propanheizungen. Die Schweißer mussten häufig eine herkömmliche Isoliermatte von dem dicken Teil entfernen, um Wärme zuzuführen und das Teil auf der richtigen Temperatur zu halten.

Die Induktionsvorwärmdecke hält die Temperatur der Schaufelkante während der Befestigung der Zähne aufrecht.
Das Bergwerk entschied sich für die Induktionserwärmung mit flachen, luftgekühlten Heizmatten, um die Teile vor dem Schweißen vorzuwärmen. Das Induktionsverfahren brachte die Wärme schnell auf das Teil. Außerdem konnte es während des Schweißvorgangs kontinuierlich eingesetzt werden. Die Reparaturzeit für das Schweißen wurde um 50 Prozent reduziert. Darüber hinaus war die Stromquelle mit einem Temperaturregler ausgestattet, der das Teil auf der Zieltemperatur hielt. Dadurch wurden Nacharbeiten aufgrund von Kaltrissen nahezu ausgeschlossen.

Kraftwerk. Ein Kraftwerksbauer baute ein Erdgaskraftwerk in Kalifornien. Bei den Kesselbauern und Rohrleitungsbauern kam es aufgrund der Vorwärm- und Entspannungsmethoden, die sie bei den Dampfleitungen des Kraftwerks anwendeten, zu Bauverzögerungen. Das Unternehmen führte die Induktionserwärmungstechnologie ein, um die Effizienz zu steigern, insbesondere bei Arbeiten an mittleren und großen Dampfleitungen, da diese Teile die meiste Wärmebehandlungszeit auf einer Baustelle benötigen.

Die Einfachheit, mit der die Induktionsmatten um komplexe Formen gewickelt werden, wie in diesem Erdgaskraftwerk, kann die Wärmebehandlungszeit reduzieren.
Bei einer typischen 16-Zoll-Schweißnaht mit einer Wandstärke von 2 Zoll konnte die Induktionserwärmung die Zeit bis zum Erreichen der Temperatur (600 Grad) um zwei Stunden verkürzen und eine weitere Stunde bis zum Erreichen der Durchwärmtemperatur (600 Grad bis 1.350 Grad) für das Spannungsabbauverfahren einsparen.